Phản ứng nhiệt nhôm là dạng bài tập thường gặp trong chương trình hóa học lớp 12. Vậy phản ứng nhiệt nhôm là gì? Sau đây sẽ là khái niệm chi tiết và bài tập phản ứng nhiệt nhôm có lời giải để giúp các bạn học sinh củng cố lại kiến thức này.
Tóm tắt
Phản ứng nhiệt nhôm là gì?
Phản ứng nhiệt nhôm là phản ứng hóa học tỏa nhiệt trong đó nhôm là chất khử ở trong nhiệt độ cao.
Phương trình tổng quát:
Al + oxit kim loại →t∘ oxit nhôm + kim loại
(Hỗn hợp X) (Hỗn hợp Y)
Phản ứng này được sử dụng để khử oxit kim loại mà không cần dùng đến cacbon. Phản ứng này thường sẽ tỏa nhiệt rất cao, nhưng trong đó có năng lượng hoạt hóa cao do liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn phải bị phá vỡ trước. Lúc này thì oxit kim loại được làm nóng với nhôm trong một lò đun. Phản ứng này chỉ có thể dùng để sản xuất ra một lượng nhỏ vật liệu.
Nhà hóa học người Đức Hans Goldschmidt đã cải tiến quy trình nhiệt nhôm bằng cách đốt cháy hỗn hợp bột oxit kim loại mịn và bột nhôm bằng một phản ứng khởi động trong đó không làm nóng hỗn hợp từ bên ngoài. Phương pháp này đã được cấp bằng sáng chế năm 1898 và được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm sau để hàn đường sắt. Các phản ứng này còn được ứng dụng trong việc hàn đường sắt tại chỗ vì nó hữu ích cho việc cài đặt phức tạp hoặc sửa chữa tại chỗ khi không cần phải sử dụng cách hàn đường sắt liên.
Bên cạnh đó thì phản ứng này cũng được dùng để sản xuất phần lớn các hợp kim sắt, ví dụ như ferro niobium từ niobium pentoxide. Một số kim loại khác cũng được sản xuất theo phương pháp này.
Phản ứng nhiệt nhôm sinh ra kim loại nào?
Sau khi tìm hiểu về dãy hoạt động hóa học của kim loại thì chúng ta cũng đã dần nắm được quy luật về độ phản ứng mạnh hay yếu của kim loại. Cụ thể trong trường hợp này thì nhôm đẩy được các kim loại khác ra khỏi oxit nếu thỏa mãn điều kiện: Đó là các kim loại trung bình hoặc kim loại yếu (từ Zn trở đi). Bạn có thể dùng dãy hoạt động hóa học tìm hiểu các kim loại này nếu vẫn chưa nhớ.
Ví dụ là phản ứng giữa oxit sắt III (Fe2O3) và nhôm (Al):
2Al + Fe2O3 → t∘ 2Fe + Al2O3
Một số phản ứng khác như:
8 Al + 3Mn304→t∘ 4Al203 + 9Mn
Cr203 + 2Al→t∘ Al203 + 2Cr
Phản ứng nhiệt nhôm xảy ra thế nào?
Phản ứng xảy ra hoàn toàn
Nếu phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn thì tùy theo tính chất hỗn hợp Y tạo thành để kết luận. Ví dụ:
- Hỗn hợp Y chứa 2 kim loại → Al dư, oxit kim loại hết.
- Hỗn hợp Y tác dụng với dung dịch bazơ kiềm (NaOH,…) giải phóng H2→ có Al dư.
- Hỗn hợp Y khi tác dụng với dung dịch axit có khí bay ra thì có khả năng hỗn hợp Y chứa (Al2O3 + Fe) hoặc (Al2O3 + Fe + Al) hoặc (Al2O3 + Fe) + oxit kim loại dư.
Phản ứng không hoàn toàn
Nếu phản ứng này xảy ra không hoàn toàn, hỗn hợp Y gồm Al2O3, Al dư, Fe và Fe2O3 dư.
Định luật liên quan đến phản ứng nhiệt nhôm
- Định luật bảo toàn khối lượng: mhh X = mhh Y
- ĐỊnh luật bảo toàn nguyên tố (mol nguyên tử): n Fe X = n Fe Y; n Al X = n Al Y.
Hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm
Thực hiện phản ứng nhiệt nhôm hỗn hợp Al và Cr2O3 trong điều kiện không có không khí. Sau đó thu được 21,15 gam hỗn hợp X. Chia X thành hai phần giống nhau. Cho phần 1 vào dung dịch HCL nóng loãng, thu được 3,36 lít khí H2 (điều kiện tiêu chuẩn). Hòa tan phần 2 vào dung dịch NaOH đặc nóng, thu được 1,68 lít H2 (điều kiện tiêu chuẩn). Biết các phản ứng của phần 1 và 2 đều xảy ra hoàn toàn. Hiệu suất của phản ứng này là gì?
Lời giải:
Tính số mol của từng phần, khi đó m X = 21,952
Phần 2 phản ứng với NaOH đặc nóng, chỉ có Al sinh ra khí H2, còn Cr không phản ứng.
nAl dư = 2n H23 = 0,05
Phần 1 phản ứng với HCl, cả Al dư và Cr đều có phản ứng sinh ra khí H2
2nCr + 3nAl = 2nH2 → nCr = 0,075
2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr
2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr
Vậy: nAl ban đầu = 0,075 + 0,05 = 0,125
và nCr2O3 ban đầu = mX − mAl152 = 0.05
Hiệu suất phản ứng: H = nCr2O3 phản ứng/nCr2O3 bđ = 75
Áp suất thẩm thấu là gì? Công thức tính áp suất thẩm thấu của máu
Phản ứng nhiệt nhôm với Cr203
Phương trình: Cr203 + 2Al→t∘ Al203 + 2Cr
Phản ứng nhiệt nhôm Cr203 lần đầu tiên được sử dụng để khử oxit kim loại mà không sử dụng cacbon. Phản ứng này tỏa nhiệt rất cao: 2200 °C, nhưng nó có một năng lượng hoạt hóa cao do các liên kết giữa những nguyên tử trong chất rắn phải bị phá vỡ trước.
Bài tập về phản ứng nhiệt nhôm có lời giải
Câu 1: Khi cho 41,4 gam hỗn hợp X gồm có Fe2O3, Cr2O3 và Al2O3 tác dụng với dung dịch NaOH đặc, dư. Sau phản ứng đó thu được chất rắn có khối lượng 16 gam. Để khử hoàn toàn 41,4g X bằng phản ứng nhiệt nhôm, phải dùng đến 10,8 gam Al. Thành phần theo khối lượng của Cr2O3 trong hỗn hợp X là (giả thiết hiệu suất của các phản ứng là 100%; O = 16; Cr = 52; Al = 27; Fe = 56)
- 50,67%.
- 20,33%.
- 66,67%.
- 36,71%.
Lời giải:
Khi cho hỗn hợp X tác dụng NaOH ta có các phương trình hóa học sau:
Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2 + H2O
Vì Fe2O3 không phản ứng với dung dịch kiềm cho nên khối lượng chất rắn còn lại chính là Fe2O3.
m Fe2O3 = 16 g, từ đó tính được số mol của oxit sắt III: n Fe2O3 = 16/160 = 0,1 mol
Tiến hành phản ứng nhiệt nhôm cho X:
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr (1)
Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe (2)
0,1 mol
Theo đầu bài cho thì số mol Al cần phản ứng sẽ bằng: nAl = 10.8/27 = 0.4 mol
Theo phương trình 2 khi cân bằng số mol thì nAl = 2*n Fe3O4 = 0,2 mol
Do đó, Số mol còn lại của Al trong phương trình (1) là: nAl (1) = 0.4 – 0.2 = 0.2 mol
Dễ dàng suy ra:
n Cr2O3 = 0.1 mol ——> m = 15.2 gam
Phần trăm oxit crom trong hỗn hợp là: % Cr2O3 = 15.2 / 41.4 = 36.71 % —-> Chọn đáp án trắc nghiệm là D.
Câu 2: Nung nóng m g hỗn hợp Al và Fe2O3 (môi trường không có không khí) đến khi phản ứng nhiệt nhôm xảy ra hoàn toàn, thu được hh rắn Y. Chia Y thành hai phần giống nhau:
– Phần 1 cho tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng (dư), sinh ra 3, 08 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn);
– Phần 2 cho tác dụng với dung dịch NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn).
Giá trị của m là bao nhiêu:
- 29,40.
- 21,40.
- 22,75.
- 29,43.
Lời giải:
Đầu tiên ta cần xác định được đây là dạng toán phản ứng nhiệt nhôm giữa Al và oxit sắt II. Phương trình phản ứng như sau:
2 Al + Fe2O3 —-> Al2O3 + 2 Fe (1)
Phần 2 cho tác dụng với dung dịch NaOH (dư), sinh ra 0,84 lít khí H2 (ở điều kiện tiêu chuẩn):
Al + H2O + NaOH ——-> Na AlO2 + 3/2H2
x = 0.025 mol
Phần (1) cho tác dụng với H2SO4 ta được các phương trình như sau:
2Al + 3 H2SO4 ——-> Al2(SO4)3 + 3H2
Fe + H2SO4 ——-> FeSO4 + H2
y = 0.1 mol
2Al + Fe2O3 ——–> 2Fe + Al2O3
Khối lượng của Al: m (Al) = (0,1 +0,025) * 27 = 3,375
Khối lượng của Fe2O3: m (Fe2O3) = 0,05 * 160 = 8
Suy ra khối lượng của chất rắn là: m = 11,375 * 2 = 22,75 (gam)
Vậy đáp án đúng là C. 22,75 gam
Trên đây là khái niệm phản ứng nhiệt nhôm là gì và các bài tập ứng dụng của nó. Chúc các em học sinh áp dụng thành công và đạt kết quả tốt trong học tập.
